張 勁，林 亮，魏迎春*，孟 濤，王亞東，位金昊，謝天成

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083;2.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100011)

煤層氣資源是一種綠色的清潔能源，合理開發(fā)利用煤層氣對于我國能源結(jié)構(gòu)和低碳循環(huán)發(fā)展模式的轉(zhuǎn)變具有重要意義[1-5]。但是在煤層氣開發(fā)過程中普遍存在煤粉產(chǎn)出問題，煤層氣水平井因?yàn)樵诿簩佣毋@進(jìn)，鉆具與煤層接觸面積大，而且在排采過程中氣液流沖蝕井壁容易失穩(wěn)崩塌，從而產(chǎn)生大量煤粉[6-11]。煤粉通過篩管時(shí)，會堵塞篩管引起氣水排采不暢[12-15]。當(dāng)煤粉進(jìn)入井筒時(shí)，煤粉在井筒內(nèi)堆積會導(dǎo)致埋泵，進(jìn)入排采系統(tǒng)會導(dǎo)致卡泵，這些問題都會影響煤層氣井的連續(xù)、穩(wěn)定、高效排采[16-19]。因此合理控制煤層氣水平井煤粉產(chǎn)出已經(jīng)成為煤層氣井連續(xù)穩(wěn)定排采的關(guān)鍵因素，而研究煤粉產(chǎn)出特征及其影響因素則是合理控制煤粉的基礎(chǔ)。

前人就韓城區(qū)塊和臨汾區(qū)塊煤層氣井煤粉產(chǎn)出特征進(jìn)行了大量研究[20-23]，指出了煤層氣水平井產(chǎn)出煤粉量普遍較大，在柳林區(qū)塊有大量煤層氣水平井因煤粉堵塞篩管及卡泵等問題導(dǎo)致修井作業(yè)，影響煤層氣井的連續(xù)穩(wěn)定排采，停井作業(yè)會對煤儲層造成不可逆的損害，從而影響煤層氣井的產(chǎn)能。而前人并未對煤層氣水平井連續(xù)的煤粉產(chǎn)出特征開展具體的研究。因此，本文開展了柳林區(qū)塊L1煤層氣水平井的連續(xù)煤粉監(jiān)測及采集，從煤粉的濃度、粒度和形態(tài)方面研究煤層氣水平井在排采中產(chǎn)出煤粉特征，分析產(chǎn)出煤粉的影響因素，為提高煤層氣井產(chǎn)能及合理開發(fā)提供理論依據(jù)。

1 地質(zhì)背景及主力開發(fā)煤層特征

1.1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

在區(qū)域構(gòu)造上，柳林區(qū)塊處于鄂爾多斯盆地東緣，東部構(gòu)造相對復(fù)雜，為寬緩的離石-中陽向斜和王家會背斜，伴生斷層較發(fā)育，有炭窯溝、青山垣、朱家店等較大斷層，向西逐漸過渡為柳林-三交單斜。在柳林—吳堡地區(qū)，地層向西緩傾形成鼻狀構(gòu)造，在其軸部由于張力作用產(chǎn)生了近東西向的張性斷裂帶，即聚財(cái)塔南北斷層組成的地塹[24](圖1)。研究區(qū)內(nèi)部總體為一向西傾斜的單斜構(gòu)造，地層傾角為5°左右，區(qū)內(nèi)大型斷層較少，在北部邊緣發(fā)育聚財(cái)塔斷層和其伴生的小型斷層。

圖1 柳林區(qū)塊構(gòu)造綱要圖(據(jù)參考文獻(xiàn)[24]修改)Figure 1 Structural outline map of Liulin block (after reference [24],modified)

1.2 煤層氣主要開發(fā)煤層特征

柳林區(qū)塊含煤地層為二疊系下統(tǒng)山西組和石炭系上統(tǒng)太原組，區(qū)內(nèi)發(fā)育煤層14層，其中山西組5層，太原組9層，山西組的2、3+4、5號煤層，太原組的6、8+9、10號煤為主要可采煤層。柳林區(qū)塊煤層氣井主要開發(fā)煤層為3+4和8+9號煤層，區(qū)內(nèi)多為焦煤、瘦煤等中等變質(zhì)程度的煤，易于受外力影響而發(fā)生變形。

3+4號煤層位于山西組中下部，全區(qū)發(fā)育，煤層結(jié)構(gòu)簡單，局部含1～3層夾矸，為穩(wěn)定可采煤層，煤層厚度為0.04～5.84 m，平均厚度為2.3 m，由西向東、由南向北逐漸變厚，煤層埋深110～1 150 m，東北向西南方向逐漸變深。頂板巖性多為砂質(zhì)泥巖或泥巖，局部為粗、中、細(xì)粒砂巖，偶為炭質(zhì)泥巖或粉砂巖。底板巖性多為砂質(zhì)泥巖或泥巖，局部為細(xì)、中、粗粒砂巖或粉砂巖，偶為炭質(zhì)泥巖。3+4號煤的宏觀煤巖組分以亮煤、鏡煤為主，其次為暗煤夾少量絲炭條帶，宏觀煤巖類型為光亮型、半亮型煤，含少量半暗型和暗淡型煤分層。顯微組分以鏡質(zhì)組為主，占62.73%，惰質(zhì)組次之，占29.26%，殼質(zhì)組少量。對柳林區(qū)塊主采3+4號煤層的煤層氣井測井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行解釋，識別出3+4號煤層煤體結(jié)構(gòu)類型主要為原生結(jié)構(gòu)煤和碎粒煤。

8+9號煤層位于太原組下段，煤層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，一般含夾矸2～3層，個(gè)別可達(dá)6層，屬穩(wěn)定可采煤層，煤層厚度為0.79～10.21m，平均厚度為4.32m，由東向西、由南到北逐漸變厚，埋深175～1 210 m。頂板巖性為石灰?guī)r或泥灰?guī)r，偶為細(xì)粒砂巖或泥巖，底板巖性多為砂質(zhì)泥巖或泥巖，局部為細(xì)、中、粗粒砂巖，偶為炭質(zhì)泥巖或鋁質(zhì)泥巖。8+9號煤的宏觀煤巖組分以亮煤、鏡煤為主，其次為暗煤夾少量絲炭條帶，宏觀煤巖類型為半亮型、半暗型煤，含少量光亮型和暗淡型煤分層。顯微組分以鏡質(zhì)組為主，占69.56%，惰質(zhì)組次之，占21.51%，殼質(zhì)組少量。對柳林區(qū)塊主采8+9號煤層的煤層氣井測井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行解釋，識別出8+9號煤層煤體結(jié)構(gòu)類型主要為碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤。

2 樣品采集及實(shí)驗(yàn)方法

2.1 煤粉樣品采集

為了查明水平井產(chǎn)出煤粉特征及其影響因素，對研究區(qū)內(nèi)主采3+4號煤層的L1多分支水平井產(chǎn)出煤粉進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測及采集，L1井是2019年12月末開始投產(chǎn)的一口多分支水平井，該井采用三開井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，篩管完井方式，開始采樣時(shí)L1井正處于氣水合采階段，從2020年7月開始對L1井進(jìn)行煤粉監(jiān)測及采集。通過煤層氣井測井?dāng)?shù)據(jù)的解釋，識別出L1多分支水平井的煤體結(jié)構(gòu)類型為原生結(jié)構(gòu)煤和碎粒煤。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

1)采用稱重法測定煤粉濃度，將容器內(nèi)的排采液樣充分搖晃均勻后，倒入量杯中100 mL，使用真空泵(VP-2型旋片式真空泵)過濾液樣。過濾選用親水雙面有機(jī)PTFE聚四氟乙烯微孔濾膜，孔徑為0.45 μm，在過濾前先將濾膜放入真空干燥箱內(nèi)，40 ℃干燥2 h，冷卻至室溫后稱量濾膜質(zhì)量，并記錄。過濾結(jié)束后將過濾后的濾紙及煤粉放入真空干燥箱中，40 ℃干燥12 h后稱濾膜和煤粉的質(zhì)量并記錄，然后繼續(xù)干燥1 h后稱其質(zhì)量并記錄，直至濾膜和煤粉質(zhì)量恒定，然后計(jì)算水樣中的煤粉濃度。

2)使用激光粒度分析儀(Microtrac S3500&Bluewave)對液樣中的煤粉顆粒進(jìn)行粒度測試，激光粒度分析儀的粒度測量范圍為0～2 000 μm。

3)采用冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡，型號S4800，分辨率為1.0 nm(15kV)，1.5 nm(5kV)，放大倍數(shù)30～800 000倍，用于觀察煤粉形態(tài)特征。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 煤粉濃度特征及影響因素

L1井的排采階段正處于氣水合采階段，井底流壓、套壓、產(chǎn)氣量、產(chǎn)水量的變化較為復(fù)雜，壓力波動(dòng)較大，產(chǎn)出煤粉濃度受排采因素影響變化較大。圖2為井底流壓、套壓、產(chǎn)氣量、產(chǎn)水量的變化對產(chǎn)出煤粉濃度影響的折線圖，從圖中可以看出：井底流壓由0.385 MPa逐步降至0.318 MPa，平均壓降速率為0.002 MPa/d；套管壓力由0.256 MPa緩慢降至0.113 MPa；產(chǎn)水量平均在3 m3/d；L1井從開始監(jiān)測第37d時(shí)就開始執(zhí)行提產(chǎn)，每天放氣5 m3，一直到第41d時(shí)停止提產(chǎn)，煤層氣井產(chǎn)氣量從8 029 m3/d逐漸提到9 888 m3/d，平均提氣速率為18.6 m3/d；煤粉濃度范圍為0.2～6.5 g/L，煤層氣井產(chǎn)出煤粉濃度主要發(fā)生兩次變化，第一次為第37d時(shí)連續(xù)五天的提產(chǎn)，煤粉濃度從0.65 g/L突然提高到14.13 g/L，第二次為第75d時(shí)連續(xù)12d的提產(chǎn)，煤粉濃度從1.78 g/L逐漸提高到6 g/L。由于產(chǎn)出煤粉量過大，煤粉顆粒堵塞井底篩管導(dǎo)致煤層氣井排水不暢，在第110d時(shí)產(chǎn)水量降到0 m3/d，進(jìn)行停井沖洗篩管，沖洗篩管后還是排水不暢，在第120d時(shí)進(jìn)行停井作業(yè)抽煤粉操作，停井作業(yè)后煤粉濃度降低到0.33 g/L。

圖2 煤粉及排采參數(shù)曲線Figure 2 Coal fines and drainage parameters curve

通過相關(guān)性分析，井底流壓與產(chǎn)出煤粉濃度具有強(qiáng)相關(guān)性(R2=0.55)，產(chǎn)出煤粉濃度隨井底流壓的降低而呈現(xiàn)明顯升高趨勢，在排采過程中，如果煤儲層壓力下降速率過快，容易造成上覆巖石壓力和儲層內(nèi)孔隙壓力差增加，導(dǎo)致煤巖基質(zhì)壓縮，從而產(chǎn)生煤粉(圖3)。套管壓力與產(chǎn)出煤粉濃度也具有強(qiáng)相關(guān)性(R2=0.54)，產(chǎn)出煤粉濃度隨著套管壓力的增大而降低，在排采過程中如果套管壓力不穩(wěn)定會引起氣液流對煤儲層的沖蝕，從而產(chǎn)生大量煤粉，應(yīng)避免套管壓力的快速變化，控制套管壓力平穩(wěn)改變(圖4)。日產(chǎn)氣量與產(chǎn)出煤粉濃度具有強(qiáng)相關(guān)性(R2=0.59)，產(chǎn)出煤粉濃度隨日產(chǎn)氣量的增大而增加，產(chǎn)氣增長速率過快，單位距離內(nèi)流體壓差過高，會使得煤儲層裂隙內(nèi)流體流速加快，高速流動(dòng)的流體沖蝕煤層，導(dǎo)致煤粉產(chǎn)出量增加，而高速流動(dòng)的流體攜帶大量的煤粉進(jìn)入篩管中會堵塞篩管，引起氣和水產(chǎn)出量驟降的現(xiàn)象(圖5)。日產(chǎn)水量與產(chǎn)出煤粉濃度具有中等相關(guān)性(R2=0.33)，產(chǎn)出煤粉濃度隨日產(chǎn)水量的增大而減小，產(chǎn)水量增加過快會沖蝕煤儲層產(chǎn)生煤粉，也會稀釋煤粉濃度，使煤層氣井產(chǎn)出煤粉濃度降低(圖6)。在煤層氣開采過程中，煤粉濃度受井底流壓、套壓、產(chǎn)氣量和產(chǎn)水量的綜合影響，這些排采參數(shù)的突然變化都會導(dǎo)致煤粉濃度的增加，所以在排采過程中要注意控制排采參數(shù)的穩(wěn)定。

圖3 井底流壓與產(chǎn)出煤粉濃度相關(guān)性分析Figure 3 Correlation analysis between well bottom flow pressure and generated coal fines concentration

圖4 套管壓力與產(chǎn)出煤粉濃度相關(guān)性分析Figure 4 Correlation analysis between casing pressure and generated coal fines concentration

圖5 日產(chǎn)氣量與產(chǎn)出煤粉濃度相關(guān)性分析Figure 5 Correlation analysis between daily gas output and generated coal fines concentration

圖6 日產(chǎn)水量與產(chǎn)出煤粉濃度相關(guān)性分析Figure 6 Correlation analysis between daily water output and generated coal fines concentration

3.2 煤粉粒度特征及影響因素

煤粉粒度大小是影響煤粉堵塞篩管和引起卡泵的重要因素之一，研究不同粒度大小煤粉的自身特征及其來源能夠更加有效的認(rèn)識和解決煤粉堵塞篩管和卡泵問題。研究區(qū)內(nèi)L1井的煤粉粒度分布見圖7。煤粉顆粒分布范圍較廣，為1～500 μm，粒度最大值為497.8 μm，最小值在0.75～2.5 μm，平均粒度范圍在18.6～47.3 μm，D10變化范圍不大基本在3.2～10.4 μm，D50變化在11.7～32.3μm，D90變化范圍較大在39.5～132.8 μm。在監(jiān)測煤粉粒度第4、16和31d時(shí)，煤粉粒度范圍在1～300 μm，最大粒度為228 μm，在第41d時(shí)煤層氣井進(jìn)行了提產(chǎn)，產(chǎn)出煤粉粒度曲線變?yōu)殡p峰分布，粒度范圍變?yōu)?～500 μm，最小粒度為1.06 μm，最大粒度為497.8 μm，平均粒度為52.4 μm，雙峰對應(yīng)峰值粒度分別為52.3 μm和67.9 μm，在第65、69和92d時(shí)，煤粉粒度曲線變?yōu)閱畏宸植迹６确秶廊粸?～500 μm，在第120d時(shí)進(jìn)行停井抽煤粉作業(yè)，停井作業(yè)后產(chǎn)出煤粉粒度范圍變?yōu)?～200 μm，最小粒度為1.49 μm，最大粒度為124.5 μm。排采參數(shù)發(fā)生變化后煤粉粒度變大，而在停井作業(yè)后煤粉粒度又變小。

圖7 L1煤層氣水平井產(chǎn)出煤粉粒度分布曲線Figure 7 Particle size distribution curve of coal fines generated from CBM horizontal well L1

分析認(rèn)為在未進(jìn)行提產(chǎn)前，排采參數(shù)未發(fā)生變化，氣液流體流速較平穩(wěn)，煤層內(nèi)的煤粉會被平穩(wěn)的從儲層運(yùn)移到井筒，然后排出井口，氣液流速較慢所以粒度較小的煤粉被運(yùn)移出來，而粒度較大的煤粉未被運(yùn)移。在進(jìn)行提產(chǎn)排采參數(shù)發(fā)生變化后，氣液流體流速變大，沖蝕煤層產(chǎn)生大量煤粉的同時(shí)也會將大量粒度較大的煤粉帶到篩管處，而粒度較大的煤粉會堵塞篩管使氣水排出不暢。在停井沖洗篩管后，堵塞篩管的粒度較大的煤粉被排出井筒，產(chǎn)出煤粉的粒度又變小。排采參數(shù)的變化會帶出大量粒度較大的煤粉，所以要及時(shí)沖洗篩管減少停井作業(yè)次數(shù)。

3.3 煤粉形態(tài)特征及影響因素

通過帶X射線能譜儀的掃描電子顯微鏡對煤粉樣品進(jìn)行觀察，根據(jù)煤粉顆粒表面光滑程度，分為光滑表面和粗糙表面兩種(圖8)。對光滑表面和粗糙表面進(jìn)行能譜測試，光滑表面的煤粉顆粒主要元素為C、O元素，以有機(jī)組分為主(圖8a)，粗糙表面的煤粉顆粒主要元素為C、O、Na、Mg、Al、Si、K、Ca、Fe，重量百分比分別為7.67%、51.11%、2.5%、0.61%、6.73%、27.4%、1.35%、1.07%，原子百分比分別為12.09%、60.5%、2.06%、0.47%、4.72%、18.47%、0.65%、0.5%。判斷粗糙表面的顆粒是CaCO3、SiO2、MgO、Al2O3、Fe2O3等(圖8b)。觀察發(fā)現(xiàn)煤粉顆粒的形態(tài)主要為塊狀和粒狀(圖8)，塊狀煤粉以不規(guī)則的柱狀和塊狀為主，棱角分明，顆粒直徑較大(圖8c、d)，粒狀煤粉棱角不明顯，磨圓相對較好，多為三維延展的球粒狀顆粒，粒度整體變化不大(圖8e、f)。

圖8 煤粉掃描電鏡圖像Figure 8 Coal fines SEM images

分析認(rèn)為，煤粉粗糙表面的顆粒為高嶺石等無機(jī)礦物，由于高嶺石集合體對骨架顆粒附著力很差，同時(shí)高嶺石晶體之間結(jié)合力也很弱，在高速流體作用下使高嶺石集合體從骨架顆粒上脫落，而這些高嶺石顆粒附著在煤粉顆粒上。掃描電鏡下觀察到的煤粉主要以無機(jī)礦物為主，煤層氣井產(chǎn)出煤粉表面特征與開發(fā)煤層段的煤巖和礦物成分有關(guān)。而L1煤層氣水平井的煤體結(jié)構(gòu)類型以原生結(jié)構(gòu)煤和碎粒煤為主，原生結(jié)構(gòu)煤受后期構(gòu)造應(yīng)力影響較小，煤體結(jié)構(gòu)完整，煤粉顆粒呈塊狀斷裂的方式脫落，碎粒煤受后期構(gòu)造應(yīng)力影響煤體結(jié)構(gòu)已完全破壞，產(chǎn)出煤粉顆粒呈磨圓較好的球狀顆粒。認(rèn)為煤層氣井產(chǎn)出煤粉顆粒的形態(tài)與煤層的煤體結(jié)構(gòu)類型有關(guān)。

4 結(jié)論

1)在煤層氣井排采過程中，通過監(jiān)測煤粉濃度發(fā)現(xiàn)煤層氣井產(chǎn)出煤粉濃度范圍為0.2～6.5 g/L，將煤粉濃度與排采參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)排采參數(shù)的突然變化會導(dǎo)致煤粉濃度的增加，認(rèn)為排采參數(shù)的突然變化會使單位距離內(nèi)流體壓差過高，煤儲層中氣液流體流速加快，高速流動(dòng)的流體沖蝕煤層，導(dǎo)致煤粉產(chǎn)出量增加，

2)通過煤粉粒度特征分析，煤粉顆粒分布范圍較廣，為1～500 μm，排采參數(shù)發(fā)生變化后煤粉粒度變大，認(rèn)為氣液流體流速較低時(shí)只能運(yùn)移粒度較小的煤粉，而在排采參數(shù)發(fā)生變化后，氣液流體流速變大，會將大量粒度較大的煤粉帶到井口。

3)煤粉顆粒的形態(tài)主要為塊狀和粒狀，L1煤層氣水平井所屬煤層煤體結(jié)構(gòu)類型以原生結(jié)構(gòu)煤和碎粒煤為主，認(rèn)為煤粉顆粒的形態(tài)與煤層的煤體結(jié)構(gòu)類型有關(guān)，煤粉顆粒有光滑型和粗糙型兩種表面特征，顆粒表面常附著有高嶺石等無機(jī)礦物，煤粉表面特征與煤巖和無機(jī)礦物成分有關(guān)。